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航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

编辑:钣金加工厂???来源:本站原创???发布时间:2019-11-23 17:25????浏览量:

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  都说航空发动机是工业皇冠上的明珠,那到底“明珠”在哪?砖家们哔哩啪啦讲了一堆,咱学识浅薄,用白话文单说最难一点。

  依惯例,从小学常识说起。

  发动机向外喷东西越多越快,产生的推力也就越大,但是燃油炸药这些,爆炸速度已经接近分子间传递信息的理论极限。

  如果基础物理不突破,那么为了提高推力,就只能拼命往发动机里塞更多燃料。燃料一多,空气就不够烧了,所以又得装个“抽风机”。这就是发动机的基本原理:压缩更多的空气供更多的燃料燃烧。问题就出在这个抽风机上。

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  这张图囊括了发动机的几乎所有基本原理。三大核心部件:高压压气机、主燃烧室、高压涡轮;再加两个关键词:内涵道、外涵道。

  高压压气机就是一台“抽风机”,和后面涡轮连成一体。风扇先把空气吹进来,压气机高速旋转,把空气压缩到燃烧室,燃烧产生的强大气流往外喷射产生飞机的动力,同时推动后面的涡轮转动,涡轮转动带动前面的压气机转动,继续压缩更多的空气进来。

  看晕的同学再捋一捋:压气机旋转的动力来自涡轮,涡轮旋转的动力来自燃料燃烧,燃料燃烧的空气来自压气机的压缩,这三角恋也是够复杂的。

  索性补几个名词说明:

  外涵道和内涵道的比例叫“涵道比”,外涵道的空气不进燃烧室,直接向后喷出。外涵道比例大的,叫 “大涵道比发动机”:省油、低速,适合客机货机等大型飞机;外涵道比例小的,叫“小涵道比发动机”,费油、高速,适合战斗机等小型飞机。

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  这种前面一个风扇,后面一个涡轮的发动机,叫“涡轮风扇发动机”,简称“涡扇发动机”。

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  如果把内涵道无限缩小,这就是一台“涡轮螺旋桨发动机”,简称“涡桨发动机”。

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  如果把外涵道无限缩小,风扇也就没必要了,这就是“涡轮喷气发动机”,简称“涡喷发动机”。

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  行文至此,干货来了:高压涡轮的叶片就是全世界最难最难最难制备的材料,工作环境极为恶劣:高温、高压、高强度!这就是所谓的工业皇冠上的明珠,也是大家最短的短板,没有之一。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  上图这造型就是典型的涡轮叶片。在燃料和叶片的关系中,燃料的盈余量很大,所以无论叶片有多牢靠,多倒些燃料,就可以紧紧把叶片逼到奔溃边缘工作。为了充分压榨叶片,还有很多冷却技术,比如,叶片上的小孔,工作时有高速气流喷出,在叶片表面形成一层气膜,这叫“气膜冷却技术”。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  发动机里温度最高的便是涡轮前面那段,这叫“涡轮前温度”,是衡量发动机代差的主要参数。因为耐高温是硬功夫,只要这点追上了,哪怕其他参数不行,也可以通过设计快速提升,这个进度是可预期的,但材料研发的进度是说不准的。

  涡前温度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味着相差一代。听说涡前温度全球平均每年提升10K,有人说大家的发动机落后美帝20年,估计就是根据这个算出来的。

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  虽然发动机结构设计也很复杂,但难度无法与材料相比,想办法弄一台样品,直接山寨就是。别嘲笑山寨,这家伙还有个帅气的正经名字:逆向工程。写论文第一步都是文献综述,任何研发工作,首先了解同类产品并借鉴升级,是非常合理的做法。任何国家都这么干,以前这么干,现在这么干,未来还这么干!只不过大家底子薄,现在干得更多而已。当然了,像发动机这么复杂的机器,自己没有吃透,也是不可能完成山寨的。

  举个例子。某年,歼六发动机连续断轴,一度导致60%飞机停飞,严重影响空防。折腾两年才搞明白,这个发动机山寨了相当部分毛子的设计,但有一处倒圆角半径出了问题:

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  毛子设计是0.6mm-0.8mm,无奈大家的刀具材料不过关,圆角刀两侧磨损过快,于是加工时半径少了0.2mm。就因为这0.2mm,导致应力急剧增加,涡轮轴断裂,多次酿成机毁人亡事故。想想,一个发动机需要多少这样的细节组成?

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  而整个军工需要多少这样的细节组成?现代军工体系的庞杂超乎想象!从某种角度说,军工其实是“阳谋”,比拼的就是人员和投入!这个严密而庞大的体系才是最高的技术门槛。

  扯远了。

  正因为极端条件下的苛刻要求,美帝有些发动机,为了减少不必要的连接和缝隙,核心部件就从整个大铁疙瘩里一点一点削出来,俗称整体叶盘。

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  叶片和圆盘连在一起,不但更牢固,重量还能下降30%。大家心领神会,据说已经引进了最先进的整体叶盘制造技术。

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  这图就开个玩笑,自家展会上的,只是试刀用的样品。整体叶盘逐渐成为发动机主流,美帝计划2020年战斗机涡轮全采用整体叶盘,不过加工这玩意儿手艺不是一般的高明,通常需要五轴联动机床。说到机床,哎……

  顺便说一说美俄思路的差异。毛子的数学功底是融到骨子里的,所以毛子经常靠线性计算搞定一切。苏27的发动机就是用销钉固定,毛子就是任性的把受力分布计算到极致,发动机硬是不散架!这功夫也是没谁了!

  虽然航空发动机极高温极高压,但工作时间毕竟短,还有一种场景是温度压力稍微低点,但工作时间非常长,由于温度和时间具有一定的当量关系,这其实是一回事。对钢的稳定性评价通常采用“高温长时效试验”,举例来说:蒸汽轮机叶片钢试验时间通常要超过10000h,若把温度提高到670度,试验时间可以缩短到400h。

  所以除了航空发动机,大家的大功率蒸汽轮机、燃气轮机也是苦的一逼!键盘侠们可集中火力往这儿喷。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  很多同学就不信邪了,为啥材料这么难?这还是怪人类科技太落后,什么都要靠试验,只能通过一次一次试验,才能找到最优方案。做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,猪肉萝卜炖粉条,比例也数得出来。但其中的入锅顺序、火候、食材的预处理、种菜的肥料、养猪的饲料、用的什么锅什么铲,一概不知,所以大家看着一道道好菜,只能流口水。

  学术点说,就是不同的原子按照特定的规律排列,大家能分析出材料的排列分布,但不知道怎么样才能让原子按这样的规律去排列。

  知道劳斯莱斯吗?其实他们做汽车是闲着玩玩,最牛的技术是航空发动机,同水平的全球仅三家,还有2家是美国的通用和普惠(不是卖电脑那家)。有耐心的同学,可以看下这个纪录片,从22分钟开始先容涡轮叶片的制造。

  材料对技术的限制有多严重?仅以机床为例,机床是削金属的工具,精密机械结构都是靠削出来的,机床对于工业,就像纸笔对于学生(只用电脑,不动纸笔的学生请走开)。高速加工时,主轴和轴承摩擦会产生热变形,导致主轴轴线的抬升和倾斜,从而影响机床的加工精度。正因为这点加工精度的影响,外加刀具的磨损误差,使得大量的国产设备,即便采用更精巧的设计,性能仍然落后一截。

  以大家这几年疯狂的投入,几乎没有什么折腾不出来的。大学时听老师说,F16的发动机图纸,早早就有了;中科院可以扫描出最先进芯片上所有的设计细节;如此等等。唯独材料,将庞大的技术积累,死死卡在瓶颈上!大部分所谓的核心技术,归根结底,就是材料!

  话说回来,大家怎么说也是五大流氓,并非一无是处,如果不要求第一,只要求前五的话,还真没啥不会的技能。

  2016年6月,一则《中国航空发动机材料重大突破,寿命优于美国 1~2 个数量级》的资讯让许多人一阵骚动,细细拜读陈教授大作,只能说“进步很大,但差距依然不小”。简单解析一下:这则资讯源自南京理工大学陈光教授团队在《NATURE MATERIALS》(影响因子38,搞科研的同学都吓尿了吧)上发表的一篇论文,大意是“高温PST钛铝单晶”取得重大突破。

  材料制备,本质上就是让原子按某种规律排列,高雅一点叫:定向结晶。这和兵法阵形差不多概念:让原子排列的方向,全部对着受力方向,这样的金属叶片强度就高。但是高温下,金属都会热胀冷缩,经这一折腾,阵形就乱了,高雅一点叫:高温下的合金蠕变。

  陈教授研究的钛铝合金,属于比较主流的发动机叶片材料。陈教授在合金结构里加了Nb,这可不是撒胡椒粉那种加法,加Nb是很讲究的。Nb有啥用呢?这阵形的主力士兵是钛铝原子,在阵形的关键位置,安排了Nb原子这个传令兵,士兵就不怕走散,可以分开的距离就更大一些,在材料上表现为延展性能提升。同时,这个传令兵也不会让士兵分的太远导致阵形溃散,他会把士兵控制在一个有效范围内,这在材料上表现为拉伸强度提升。

  PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸强度,什么概念呢?——“这简直屌炸天了!”一位不愿意透露姓名的材料学家说。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  蓝色线是美国波音客机GEnx引擎中的合金(简称4822合金)的蠕变抗力,红线是陈教授的PST钛铝单晶,线条往上翘就表示挂了。解读一下:

  100MPa蠕变应力:4822不到100小时就挂了,PST超过了800小时还没挂,看趋势不知道多久会挂。

  150MPa蠕变应力:4822抗了5个多小时,PST抗了350小时。

  210MPa蠕变应力:4822抗了1个多小时,PST抗了100小时。

  这就是资讯上说的比国外先进2个数量级的那个参数。在钛铝合金这块,大家算是出头了。

  为啥还说差距依然不小?

  但凡上天,减重自不用多说,原则上,叶片重量越轻、强度越高,越好。所以发动机会根据不同级叶片的工作环境,采用不同的材料,尽量降低发动机重量。钛铝合金和镍基合金,前者轻但不牢靠,后者牢靠但重,两者密度相差一半。

  陈教授的PST合金可以耐900度,通常认为气膜冷却能贡献400度,隔热涂层能贡献100度,这样算下来,保守估计锅前温度能到1750K,这基本可以搞定三代发动机。拍着脑门想想,若现有三代发动机全用PST替换,这画面真是不敢想,搞不好推重比全都超过10了!就连美帝也得哭!

  但是在1000度条件下,PST拉伸强度下降到238MPa,估计很快被扭成麻花。所以四代发动机,只能用在压气机和低温涡轮那里,核心的高压涡轮还是够呛。比如,美帝有款发动机的高压压气机共9级,前3级钛合金,后6级镍基,这6级基本可以用PST替换,还有资讯里的GENx,低压涡轮的镍基合金也可以被替换。

  不过四代发动机还得用上镍基,大家的镍基合金仍处于被吊打的阶段,高端镍材全靠进口,基本被美德日垄断。看看美帝的四代镍基合金EPM102,400MPa\1000度,轻松撑过1000小时,对数据不敏感的同学回看一眼PST的参数(210MPa\900度,116小时)。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  战斗机还有“开加力”一说,就是在发动机后面再装一个大圆筒,紧急时刻拼命往里倒燃料。这和吃兴奋剂没区别,瞬间增加50%的推力,但对材料的磨损极其严重,非常影响寿命!发动机在加力状态下,一般不会超过5分钟!

  “最大推力”是指开加力的推力,“中间推力”是指不开加力的最大推力。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

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  有了这些常识打底,咱就能解读一些资讯了。

  一、涡扇-10,WS10,俗称太行发动机。

  大家的第一台大推力发动机,大涵道比结构,用于大型军用飞机。延伸型号则装备最先进的三代机,歼11B。看几条官方公布的新技术:

  1)“低压涡轮两级导向叶片空心、三联整体无余量精铸结构,与高压涡轮对转。”啥意思呢?如果所有的叶盘往一个方向转,就会带着发动机也朝一个方向转,固定支架的压力就很大;如果一个向左转,一个向右转,就可以抵消旋转产生的力,这个道理很简单。据说这种设计在此类发动机里很少见,但这对发动机叶片耐高温没啥帮助,也不能因此而多倒燃料。

  2)“三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计。”啥意思?气动是大家的强项嘛,不过这种设计还是提升不了发动机的层次。

  3)“借鉴国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。”终于说到点子上了,叶片能承受更高的温度,尽管倒燃料吧!

  4)“纳米氧化锆热障涂层技术应用于高压涡轮导向叶片以及低压一、二级导向叶片。”这个好理解,叶片更耐热了,不错不错。

  5)“第Ⅳ级和Ⅷ级高压压气静子叶片,首次实现高温合金叶片的冷辊轧。”这个也不错,同样的材质,冷辊轧的性能会更好点。

  6)“首次采用整体铸造钛合金中介机匣。”这是发动机最重要的承力结构,整体铸造的强度寿命都会更好些。

  总体来看,涡轮前温度1747K,最大推力13-15吨,推重比大约8,有不少新的设计,估计已经用上那个最新的钛铝合金了。如果镍基材料追上来,性能肯定还能升,现在虽比不上美帝,但也算是合格大流氓了。

  二、涡扇-15,WS15,俗称峨眉发动机。

  尚未出世,为J20等四代机定制的小涵道比矢量发动机,“矢量”就是喷口能拐弯的意思。二三级风扇和前三级高压压气机为整体叶盘,钛合金材料;高压涡轮叶片是所谓的国内第三代单晶材料,估计研发就是卡在这里了。

  设计参数:涡轮前温度1850K,最大推力16-18吨,推重比大约10。

  对比一下美帝F35的发动机,全世界最牛逼的普惠F135:涡轮前温度大约2000K,最大推力19吨,推重比11.7。强调一点:美帝是现役的,大家是研发中的。

  简单看一眼现役老装备:涡扇-9“秦岭”,推重比5.05,推力约5.5吨,装备飞豹;涡扇-13“天山”,推重比7.8,推力约5吨,装备枭龙,飞豹;涡喷-14“昆仑”,推重比 6.4,推力约5吨,装备歼-8,歼-7系列;涡扇-500,用于无人机和巡航导弹,推力500kg。这是整体叶盘技术非常成功的应用案例,和西方差不多同一水平了。所以,大家这几年的无人机和巡航导弹一个比一个叫的响。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  涡轮叶片想要全面赶超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圆梦,就死了这条心吧!不过,大家这位老司机,弯道超车可是一把好手。发动机的弯道在哪儿呢?

  若在大气层内速度超过2倍音速,那些涡轮无论多牛逼,都会被离心力甩断裂,于是就有了新套路:“冲压发动机”。

  速度快到逆天后,迎面吹来的风就比抽风机还要多,所以可以把那些乱七八糟的涡轮全扔了,就一个空牢牢的圆筒就行。这种发动机很轻,最多不超过1吨,但产生的推力却可以达到30吨,功率相当于200个火车头!冲压发动机的原理,就决定了这货只有在高速状态下才能开启,3倍音速以上的飞行器,基本都是冲压发动机。请看涡喷发动机和冲压发动机的区别:

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  因为不需要高温高压的叶片,大家一下子就活络了,气动外形可是咱强项啊!为什么大家的超音速巡航导弹、反舰导弹、防空导弹牛逼,这下明白了吧?

  当然,这弯道超车也不是谁都能玩的,搞不好就得翻车,尤其是6马赫以上的超燃冲压发动机。这相当于在超音速的大风中点火(16级台风的风速也就50m\s),非常容易熄火!

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  美国NASA研制的高超音速飞行器X-43A,最高速度达9.7马赫,因为燃料无法持续的问题被放弃。后来的X-51A“乘波者”几次试飞,虽然完成了超燃冲压发动机的点火,但燃烧室气流不均匀导致的燃烧不稳定也是个头大的问题。

  据说(大家的消息都要据说),大家的DF-ZF(美帝称WU-14)已经稳定试飞N次了,有说法称这货已经超过美帝了。考虑到当年“钱学森们”留下的雄厚的气动功底和近乎变态的风洞,再考虑到冲压发动机不需要涡轮叶片,这说法可信度还是很高的。

航空发动机发展之殇,受基础材料限制,至少落后20年

  除了冲压发动机,最后还有一种解决方案,可以自带氧气嘛。这也不需要抽风机了,也就没有后续那一堆烦心事了!呵呵,这是火箭发动机。家家有本难念的经,这本经改日再念。

  本着“世界上只有中国和外国两个国家”的原则,航空发动机任重而道远!

  本文来源\老和山下的小学僧,编辑\叶良辰图文转至网络,若内容涉嫌侵权,请告知大家删除!

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